Использование отходов промышленного комплекса в качестве пигментов-наполнителей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 667.6:622.17:533.546

С. В. Свергузова, И. В. Старостина, Г. И. Тарасова, К. И. Шайхиева, А. А. Внуков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА В КАЧЕСТВЕ ПИГМЕНТОВ-НАПОЛНИТЕЛЕЙ

Ключевые слова: отходы, шламы химводоочистки теплоэлектросетей, хвосты обогащения железистых кварцитов, переработка, пигменты-наполнители.

В работе представлены результаты исследования возможности использования отходов промышленного комплекса - шламов водоочистки ТЭЦ и хвостов обогащения железистых кварцитов для производства пигментов-наполнителей. Приведены результаты сравнения технологических показателей грунтовки, изготовленной с использованием шлама ТЭЦ и масляной краски, изготовленной на основе хвостов обогащения железистых кварцитов с требованиями ГОСТ. Показано, что грунтовка и масляная краска, изготовленные на основе отходов, не уступают по качеству аналогичным лакокрасочным материалам, изготовленным с использованием традиционных материалов.

Keywords: wastes, slimes of chemical water cleaning of electrical heat station, tails of enrichment offerruginous quartzites, processing , pigment-fillers.

In this article researches' results of using possibility of industrial complex' wastes - slimes of electrical heat stations' water purification and of tails offerruginous quartzite enrichment for pigment-fillers production are presented. The results of technological primer's indicators, made with using electrical heat stations' slime and oil dye, made on the basis of tails offerruginous quartzites enrichment according to GOST requirements are given. It is shown, that the primer and oil dye, made on the basis of wastes, have the same quality as si,ilar dye and varnish materials, produced with the using traditional materials.

Дальнейшее увеличение мощности предприятий промышленных комплексов и рост благосостояния населения сопровождается образованием и накоплением больших количеств разнообразных отходов. Проблема утилизации и переработки отходов предприятий актуальна и первостепенна для всех отечественных и зарубежных предприятий. По официальным данным, не более 2 % извлекаемого из недр сырья превращается в конечный продукт, остальные 98 % отходов накапливаются в поверхностных хранилищах, не оборудованных средствами защиты окружающей среды от фильтрационных вод [1].

К одним из таких отходов относятся шламы химводоочистки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и хвосты обогащения железистых кварцитов (ХОЖК) горно-обогатительных комбинатов (ГОК), добывающих и обогащающих железную руду. Так, на территории Белгородской области ежегодно образуются и направляются в отвал около 4,5 тыс. т шламов ТЭЦ и 20 млн м3 ХОЖК. В настоящее время проблема их переработки и дальнейшего использования не решена.

Шламы химводоочистки ТЭЦ образуются в процессе очистки воды при обработке ее известковым молоком и сульфатом железа (II). Примеси, находящиеся в исходной воде, при взаимодействии с Ca(OH)2 и FeSO4 оседают, а осветленная вода направляется на установки обессолевания и умягчения. Осадок, образующийся в осветлителях, является шламом, который в высушенном виде представляет собой порошок от серого до бурого цвета с влажностью не более 15 % и массовой долей карбонатов Ca + Mg - 80-88 %. Количество Fe2O3 - не более 2-4 %, серы - 0,2 % [2]. Ранее показана возможность успользования названного отхода в качестве добавки в строительные материалы [3-6].

ХОЖК относятся к одним из многотоннажных неорганических металлосодер-жащих промышленных отходов. В настоящее время только в хво-стохранилищах Лебединского горно-

обогатительного комбината (Белгородская обл.), занимающего более 1520 га, находится более 80 млн. т отходов ХОЖК [7]. Вследствие ветровой и водной эрозии происходит интенсивное загрязнение окружающей природной среды тяжелыми металлами и другими опасными веществами. Учеными подсчитано, что с 1 га поверхности отвала выносится до 300 т пыли в год [8]. В табл. 1 приведен состав шлама Белгородской ТЭЦ и ХОЖК Лебединского ГОК.

Таблица 1 - Оксидный состав шлама Белгородской ТЭЦ и ХОЖК Лебединского ГОК

Оксиды Содержание, масс. %

Шлам ХОЖК

CaO 49,06 2,65

CO2 42,74 -

MgO 3,81 4,32

SiO2 2,52 71,27

Fe2O3 0,95 8,55

AhO3 0,45 2,53

SO3 0,15 0,16

SrO 0,14 -

P2O5 0,11 0,17

MnO 0,02 -

FeO - 7,22

Na2O + K2O 0,05 1,65

Как видно из данных, представленных в табл. 1, в состав шлама и ХОЖК входят соединения, устойчивые к воздействию атмосферной влаги и температурным колебаниям. При этом шлам и ХОЖК в высушенном состоянии представляют собой тонкодисперсные системы (рис. 1), основная масса частиц которых менее 60 мкм, причем, части-

цы шлама имеют более высокую дисперсность по сравнению с частицами ХОЖК. Размеры частиц порошкообразных материалов имеют большое значение для многих физико-химических процессов.

о 0>60 60-40 40-20 20-10 <10

мкм мкм мкм мкм мкм

Шлам Белгородской ТЭЦ ■ ХОЖК

Рис. 1 - Распределение частиц шлама и ХОЖК по фракциям

В данном случае, от размера частиц и их седиментационной устойчивости зависит качество краски, а, следовательно, равномерность покрытия и гладкость получаемой поверхности.

Нами рассмотрена возможность использования шлама Белгородской ТЭЦ в качестве минерального наполнителя, а ХОЖК - пигмента-наполнителя в производстве масляных красок. К наполнителям, применяемым в лакокрасочной технологии, предъявляются следующие требования: высокая дисперсность, низкая маслоемкость, небольшая плотность, низкая твердость, дешевизна и доступность сырья, минимальное содержание водорастворимых примесей (электролитов).

Согласно [9] размер частиц порошкообразных материалов, используемых в качестве пигментов-наполнителей, должен находиться в пределах 070 мкм. Таким образом, предлагаемые к использованию отходы - шлам ТЭЦ и ХОЖК по данному показателю соответствует требованиям ГОСТ.

Поскольку в составе ХОЖК в незначительном количестве присутствуют частицы размером более 60 мкм, то для повышения их дисперсности возможно дополнительное кратковременное измельчение отхода в мельнице мокрого помола.

Минералогический состав рассматриваемых отходов уточнен по результатам дифференциально-термического анализа. Из полученных деривато-грамм шлама (рис. 2а) следует: до температуры 108 С потери массы шлама связаны с удалением адсорбированной воды; 337 °С - кристаллиза- ционной воды, 880 °С - разложение СаСО3. По результатам дифференциально-термического анализа ХОЖК определили 4 эндотермических эффекта (рис. 2б): при 160 оС - потеря гигроскопической влаги; при 570 оС и 845 оС - разложение МдС03 и СаС03, соответственно, что сопровождается значительной потерей массы. Кроме того, эндо-эффект при 570 оС характерен для обратимого полиморфного превращения кварца из а- в в- модификацию и три экзотермических эффекта: при 710 оС, 900 оС, 950 оС - характеризуют последовательный переход Ре304 в Y-Fe203 и а- Ре203 (рис. 2).

а

б

Рис. 2 - Дереватограммы отходов: а - шлам Белгородской ТЭЦ, б - ХОЖК

В соответствие [10], плотность материалов, применяемых в качестве наполнителей в настоящее время составляет, кг/м3: для барита - 4500, каолина - 2540-2600; доломита - 2850; мела - 2710. Плотность шлама ТЭЦ, определенная нами экспериментально, составляет 2310 кг/м3, ХОЖК - 2950 кг/м3. Маслоемкость барита, каолина, доломита и мела лежит в пределах от 6 до 20 г на 100 г, а маслоем-кость шлама ТЭЦ и ХОЖК составляет 12,0 и 15,1 г на 100 г, соответственно. Водородный показатель (рН) для суспензий барита, каолина, доломита и мела составляет от 5 до 10, а значение рН для суспензии шлама ТЭЦ равно 8,5, а для ХОЖК - 8,1. Таким образом, приведенные свойства шлама ТЭЦ и ХОЖК, находятся в пределах, характерных для пигментов-наполнителей, используемых в настоящее время в промышленности.

В условиях ОАО «Завода Краски КВИЛ», г. Белгород, при изготовлении грунтовки согласно ТУ 2312-029-54651722-2001 с применением шлама ТЭЦ в качестве наполнителя и масляной краски согласно ТУ 2317-015-15822449-99 с использованием ХОЖК в качестве пигмента-наполнителя определяли следующие показатели:

• Массовая доля нелетучих компонентов, % (Мн);

• Степень перетира, мкм (8п);

• Время высыхания при 105 °С, час (Вв);

• Условная вязкость, с (Ув);

• Стойкость покрытия к статическому воздействию воды, час (Сп);

• Прочность при ударе, см (Пу);

• Укрывистость невысушенной пленки, г/м2 (У);

• Условная светостойкость покрытия, час (У8);

• Диспергируемость, мкм (Д);

• Массовая доля пленкообразующего вещества, % (Мп);

• Массовая доля летучего вещества, % (Мл);

• Эластичность пленки при изгибе, мм (Эл);

• Степень разбавления, % (Ср).

Результаты исследования представлены в табл. 2 и 3.

Таблица 2 - Результаты испытаний шлама ТЭЦ

Наимено-вание Требования по ТУ Результаты испы-

показателей 2312-029-546517222001 «ТМРасКрас» тания шлама ТЭЦ

Д, не более мкм 30 23

Цвет Красно-коричневый Красно-коричневый

Внешний вид После высыхания соответствует

покрытия должна быть однород-

ная поверхность

Ув, с Не менее 45 91

Бп, мкм, не 40 40

более

Мн, %, не менее 60 72

Ср, %, не более 20 18,6

Твердость. У.е., 0,15 0,18

не менее

Пу, см, не менее 50 50

Адгезия, 1 1

балл, не более

Эл, мм, не более 1 1

Сп, час., не 24 24

менее

Таблица 3 - Результаты испытаний ХОЖК

Наименование Требования Результаты испы-

показателей по ТУ 2317-015- таний

15822449-99 Краска масляная красно-коричневая с ХОЖК

Цвет Должен быть в пределах допускаемых отклонений Красно-коричневый

Внешний вид После высыхания соответствует

покрытия должно образовываться ровное покрытие

Мп, %, не более 21 24

Мл, %, не более 25 25

Ув, сек., не менее 65-120 80

Мн, % 58-93 76

Бп, 70 90

мкм, не более

Вв, час при 200С, 24 2

не более

Твердость, у. е., 0,05 02

не менее

У, г/м2, не менее 100 50

для цвета

Сп, час., не менее 1 1

yS, час., не менее 2 2

Выводы: грунтовка ГФ-021, изготовленная по утвержденной рецептуре с использованием образца шлама ТЭЦ соответствует требованиям ТУ 2312-029-54651722-2001. Образец отхода - шлам ТЭЦ для производства грунтовок в качестве наполнителя пригоден.

Отходы Лебединского ГОКа - ХОЖК были испытаны в аналогичных условиях ОАО «Завод Краски КВИЛ» на пригодность к использованию для изготовления масляных красок согласно ТУ2312-029-54651722-200. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Таким образом, грунтовка, изготовленная в лаборатории завода по производству масляных красок ОАО «Завод Краски КВИЛ» по заводской технологии согласно ТУ 2312-029-54651722-2001 (Табл. 2) с полной заменой наполнителя на шлам ТЭЦ и масляная краска на основе ХОЖК (табл. 3) не уступают по качеству материалам, получаемым с применением традиционных сырьевых компонентов Работа выполнена в рамках гранта РФФИ (проект № 14-41-08054 р_офи_м).

Литература

1. Л.А. Николаева, С.А. Каляпина, Экология и промышленность России, 11, 7-9 (2011).

2. С.В. Свергузова, А.А. Внуков, И.Г. Шайхиев, В .А. Юр-ченко, Вестник Казанского технологического университета, 17, 18, 164-167 (2014).

3. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 13, 41-45 (2011).

4. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Экология и промышленность России, 2, 28-29 (2010).

5. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 6, 35-37 (2012).

6. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 10, 111-113 (2012).

7. Технологические и санитарно-экологические проблемы утилизации и захоронения твердых промышленных и бытовых отходов, пути их решения в Белгородской области// Материалы областного семинара - совещания. -Губкин, 1998. С. 62-64

8. Р.В. Лесовик, В.А. Калашников, Экология - образование, наука и промышленность: сб. докл. Междунар. научно-методической конф. Белгород: ИЗд-во Бел-ГТАСМ,. Ч.3. С. 104-108 (2002).

9. ГОСТ 10503 - 71: Краски масляные, готовые к применению. Технические условия. М.: Изд-во Стандартов, 1971. 10с.

10. Е.Ф. Беленький, И.В. Рискин, Химия и технология пигментов. Изд. 4-е, пер. и доп. Л.: Химия, 1974. 656 с.

© С. В. Свергузова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной экологии Белгородского госуд.о технол. ун-та им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; И. В. Старостина - к.х.н., доцент той же кафедры; Г. И. Тарасова - к.х.н., доцент той же кафедры; К. И. Шайхиева - студ. каф. инженерной экологии КНИТУ А. А. Внуков - асп. каф. промышленной экологии Белгородского госуд.о технол. ун-та им. В.Г. Шухова.

© S. V. Sverguzova - Doc.sc.techn, professor, head of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, pe@intbel.ru; 1 V. Starostina - Can.Sc.Chem, docent of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra; G. I. Tarasova - Can.Sc.Chem. docent of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra; K I. Shaikhieva - Student of Kazan National Research Technological University engineering ecology cathedra, A. A. Vnukov -Graduated student of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra.